CN111393056A - 一种导热地聚合物复合材料及其制备和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种导热地聚合物复合材料及其制备和应用，按重量百分比，原料组分包括：铝硅酸盐矿物30％～40％，碱20％～40％，水30％～40％，导热填料1％～10％。本发明制得的地聚合物复合材料具有良好的导热性能；本发明具有原材料来源广泛，价格低廉，制备工艺对环境友好，综合性能优于混凝土水泥，可广泛应用于建筑与道路工程领域。

Description

一种导热地聚合物复合材料及其制备和应用
技术领域
本发明属于地聚合物复合材料及其制备和应用领域，特别涉及一种导热地聚合物复合材料及其制备和应用。
背景技术
异常气候所引起的强降雪天气给全世界造成了巨大的损失。据报道，在2013年3月全球大部分国家和地区都受到强降雪气候的影响。欧洲大部分国家的降雪量达到50厘米以上，直接造成的经济损失接近18亿美元；同时日本北部地区也受到冰雪气候的困扰，据统计积雪达到45厘米以上，当地政府花费了近13.6亿日元清扫积雪。我国也时常受到冰雪天气的困扰。就在近期(2019年11月-2020年1月)我国北部部分地区普降暴雪，这次降雪天气具有持续时间长、强度大、积雪厚度深的特点。河南、青海两地部分城市的雪灾程度尤为严重，部分路段的积雪厚度达到30～40厘米，给国家造成的经济损失无以计量。
强降雪引起的城市道路积雪不仅使国家物流系统瘫痪，而且还严重危及了人们的出行安全。现阶段主要的除雪方法包括使用机械清扫和化学融雪剂，其中机械清扫的方法需动用大量的人力和物力，而且除雪效率较低；使用化学融雪剂虽能提高融雪效率，但是融雪剂中含有的氯盐成分会对环境造成一定的污染。为了提高融雪效率，一些欧洲国土面积较小的国家通常使用飞机除冰液代替一般融雪剂的融雪方法。飞机除冰液的主要成分是异丙醇和丙二醇，由于其不含酸、碱和盐等成分，对环境更加友好。但是飞机除冰液的价格较为昂贵，不适用于像我国这种国土面积较大的国家。加热法是另一种较为有效的除冰融雪方法，现有的加热法包括地热法和电热法。地热法是在路面下预埋能源桩，利用能源桩的热泵技术将地源热导向路面，以达到融雪目的方法。电热法是在路面底下预埋加热电缆，通过电缆中的发热元件电阻线将电能转换为热能，以辐射的方式把大部分的热能传递到路面的方法。无论是电热法还是地热法为了提高能源的利用率，都需铺设路面的混凝土材料具有较好的导热性能。迄今为止，国内外学者通常是将混凝土中的水泥材料与具有较高热导率的材料进行混合，以提高水泥材料的基导热复合材料。具有的工作包括：
肖建庄等人(建筑材料学报，2010.(01)：21-25)和刘凯等人(建筑材料学报，2012.15(06):771-777)都采用通过在混凝土中添加钢纤维来提高混凝土材料的导热性能，结论得出随着钢纤维掺量增加，混凝土的热导率明显增大，但是混凝土中的水泥耐酸碱性较差，在长期的使用过程中，地下的复杂微生物环境会对材料造成一定的侵蚀，造成材料的耐久性达不到相应的要求。Liu等人(Construction and Building Materials，2015.101:932-941)将铁矿砂通过磁力搅拌添加分散到水泥材料中来提高水泥材料的热导率。G.M.Kim等人(Composite Structures，2016，158:20-29)将多壁碳纳米管通过加入减水剂的方法分散到水泥基体中，以此来提高水泥基体的热导率。Wang等人(CeramicsInternational，2017，43(12):8685-8693)将碳纤维通过超声分散的方法添加到水泥材料中来提高水泥材料的热导率。P.Pan等人(Materials，10(2017)1-17)将石墨粉通过机械搅拌的方法添加到混凝土中来提高混凝土的热导率。吴其胜等人的专利(申请号：201611176546.8申请日：2016-12-19，一种石墨烯-水泥基高导热复合材料及其制备方法)公开了一种石墨烯-水泥基高导热复合材料，所述复合材料的组成包括硅酸盐水泥、酚醛树脂、硅烷偶联剂、石墨烯、分散剂、乙醇和水。其制备方法为：先用酚醛树脂改性硅酸盐水泥制备改性水泥粉体，再用硅烷偶联剂改性石墨烯制备改性石墨烯粉体，然后采用高能球磨机将二者球磨混合，加入分散剂，最后将其热压成型即可制得石墨烯-水泥基高导热复合材料。权磊等人的专利(申请号：201910898335.2申请日：2019-09-23，一种高导热水泥混凝土及其制备方法)涉及导热材料领域，导热水泥混凝土包括以下质量份数的组分：水泥12～15份，矿渣粉1～2份，砂25～35份，碎石45～55份，水4～5份，石墨烯-导热纤维分散浆体0.24～0.45份。石墨烯-导热纤维分散浆体中包括石墨烯悬浮液、减水剂、粘度调节剂、着色剂和导热纤维。
地聚合物是一类通过“碱激活”反应，在较低的反应温度(<80℃)和较简单的工艺处理下形成铝氧四面体和硅氧四面体结构的新型无机聚合物。地聚合物的原料来源非常丰富，可以利用大量工业固废，在制造和生产过程中也几乎没有二氧化硫和一氧化碳等有害气体的产生，二氧化碳的排放量仅为制造传统水泥材料时的20％。我们国家已经指出要加强工业固体废物的综合利用。近几年再次强调了需“大力发展以尾矿、工业固体废弃物为原料生产各种混凝土及制品”。地聚合物的原材料为粘土、矿渣、火山灰、高岭土、粉煤灰、硅灰等。其中矿渣、粉煤灰等属于亟待处理的工业固废。相较于传统水泥材料，地聚合物在原材料的来源上较为环保，符合国家的整体规划。此外，地聚合物的力学性能和耐腐蚀性都比水泥优异。一般地聚合物只需一天时间就可以固化成型，而水泥需要几周时间才能达到相同的力学强度。地聚合物在5％的硫酸溶液中，分解率只有硅酸盐水泥混凝土的1/13，在5％的盐酸溶液中其分解率只有硅酸盐水泥混凝土的1/12。因此，在道路工程中采用综合性能更加优异的地聚合物代替传统水泥具有重要的应用价值。但是据文献报道(硅酸盐学报，2017，45(12):1721-1737；Construction and Building Materials，2019，222：699-705)地聚合物的热导率仅为0.24～0.38W/(m·K)，以地聚合物代替传统水泥材料铺设道路对能源(电热、地热)的利用率较低，至今也没有任何文献和专利涉及到有关于提高地聚合物热导率的相关工作。因此，研究如何提高地聚合物的热导率具有重要的价值。
CN 108929114 A(申请号：201710369850.2申请日：2017-05-23，一种地聚合物涂料及其制备方法和应用)公开了一种地聚合物涂料及其制备方法和应用，此专利主要通过地聚合物与导热填料混合，通过优化配方制备得到具有耐高温性能的地聚合物涂料。相比之下，本专利与CN 108929114 A的主要区别在于：(1)CN 108929114 A专利中的导热填料仅仅是简单的物理混合，没有考虑导热填料与地聚合物基体之间的界面以及导热填料在地聚合物中的分散状态。本专利是在充分考虑了地聚合物的化学结构后，通过对导热填料与地聚合物之间界面进行设计，增加了导热填料在地聚合物基体中的分散，以达到提高和优化地聚合物复合材料导热性能的目的。(2)涉及的应用领域不同。CN 108929114 A专利涉及的是耐高温涂料领域，而本专利是关于制备结构型导热复合材料，涉及的是建筑与道路工程领域。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种导热地聚合物复合材料及其制备和应用，克服了导热填料在地聚合物基体中难分散的技术缺陷。可以通过本发明的设计路线，选用任一热导率优异的导热填料进行表面改性，提高地聚合物复合材料的热导率。本发明所用的原料为含有硅铝酸盐的天然矿物或工业废渣，通过将原料、碱性溶液和导热填料按照一定比例混合、分散和固化后制得。
本发明的一种地聚合物复合材料，按重量百分比，原料组分包括：铝硅酸盐矿物30％～40％，碱20％～40％，水30％～40％，导热填料1％～10％。
所述铝硅酸盐矿物为含有无定形硅铝结构的粘土、矿渣、火山灰、高岭土、粉煤灰、硅灰中的一种或几种。
所述碱为元素周期表中第一、第二主族碱性离子中的一种或几种，包括锂，钠，钾，钙，镁等。
所述导热填料为表面活化的导热填料、有机硅改性导热填料中的一种或几种。
所述表面活化的导热填料、有机硅改性导热填料中的导热填料均为零维粒子导热填料、一维纤维导热填料、二维纳米片层导热填料或三维网状材料导热填料；有机硅改性试剂为原硅酸四甲酯和/或正硅酸乙酯。
所述零维粒子导热填料为金属纳米粒子、氮化铝、碳化硅、氮化硅、石墨粉中的一种或几种；一维纤维导热填料为碳纳米管、碳纳米纤维、碳纤维、纳米银线中的一种或几种；二维纳米片层导热填料为层状金属氧化物、石墨烯、氮化硼中的一种或几种；三维网状材料导热填料为导热气凝胶、金属泡沫、碳泡沫中的一种或几种。
所述有机硅改性导热填料由下列方法制备：
将导热填料与强酸溶液混合，搅拌，洗涤，干燥，将得到的预处理的导热填料；然后将预处理的导热填料按照浓度0.1～0.3g/L与有机硅改性试剂分散到乙醇和弱碱的混合溶液中，再次搅拌，离心并洗涤，抽滤，干燥，得到有机硅改性的导热填料；其中导热填料在强酸溶液中的浓度为2～10mg/mL，有机硅改性试剂占有机硅改性试剂和预处理的导热填料的重量比为2％～15％；其中所述搅拌时间为2～4h；再次搅拌时间为15～60min。
进一步，所述有机硅改性导热填料制备方法具体为：将表面活化的导热填料(预处理的导热填料)溶于乙醇与弱碱溶液的混合液中，超声分散30min，然后使用转速为1500r/min的磁力搅拌器搅拌15min，获得均匀的悬浮液，然后将有机硅改性试剂与表面活化的导热填料以重量比为5：95的比例加入上述制备的悬浮液中，在室温环境下匀速搅拌2h，反应结束后，将混合溶液移至冷冻离心机以速度为5000r/min离心2～3次，直至上层溶液透明，移除上层溶液后，将下层粉末通过0.8μm的尼龙膜进行真空洗涤抽滤，洗涤过程重复4～5个循环。最终产物在冷冻干燥机中干燥48h，制得二氧化硅包覆的导热填料。
进一步，所述乙醇与弱碱溶液中乙醇与弱碱的体积比为25：1。
进一步，所述表面活化的导热填料与有机硅试剂溶液的重量比为95：5。
进一步，所述弱碱的浓度为15％～28％。(这里指的是弱碱溶液的浓度，不包含乙醇，在实施例中已经标明产品的货号)。
进一步，所述有机硅改性试剂相对导热填料的重量百分含量8％～22％。
所述表面活化的导热填料具体均为：将导热填料溶于体积比为3：1的硫酸与硝酸的混溶溶液中，机械搅拌2～3h，温度设置为60℃进行反应，然后进行真空抽滤并用去离子水反复洗涤直至导热填料的pH值为6～7，把洗涤后的粉末放置在冷冻干燥机中冷冻干燥36～48h后，得到干燥蓬松的导热填料粉末，即为表面活化得导热填料。
本发明提供一种地聚合物复合材料的制备方法，包括：
将表面活化后的导热填料或有机硅改性导热填料与碱溶液混合，加入铝硅酸盐矿物，搅拌，固化，灌注模具后得到导热地聚合物复合材料。
上述制备方法的优选方式如下：
所述碱溶液中的碱性离子与铝硅酸盐矿物中的铝元素的摩尔比为0.95～1.1:0.85～1.1，有机硅改性的导热填料占有机硅改性的导热填料、碱溶液和铝硅酸盐矿物的重量比为1％～10％。
所述搅拌1000～2000r/min下搅拌5～20min；固化温度为25～80℃，时间为2～36h。
进一步地，导电填料为零维、一维和二维导热填料，则地聚合物复合材料的制备方法具体为：将至少一种表面改性的导热填料(表面活化后的导热填料或有机硅改性导热填料)与含有至少一种碱性离子的溶液混合均匀后，再把原材料加入上述混合溶液中，通过自转、公转搅拌机以1000～2000r/min混合均匀，倒入模具后固化，得到地聚合物复合材料。
进一步地，导电填料为三维网状导热填料，则地聚合物复合材料的制备方法具体为：
将至少一种表面改性的导热填料(表面活化后的导热填料或有机硅改性导热填料)与含有至少一种碱性离子的溶液混合均匀后，再把原材料加入上述混合溶液中，通过灌注的方法将地聚合物浆料慢慢浸入导热填料中，然后固化脱模，得到地聚合物复合材料。
本发明提供一种所述地聚合物复合材料的应用，如建筑与道路工程领域。
有益效果
(1)本发明以高岭土为原料，采用对导热填料表面包覆二氧化硅制备具有导热性良好的地聚合物复合材料；
(2)本发明制备过程工艺简单，副反应少，处理方法简单，能耗低，适用范围广；
(3)本发明制得的地聚合物复合材料具有良好的导热性能；
(4)本发明制得的地聚合物复合材料具有原材料来源广泛，价格低廉，制备工艺对环境友好，综合性能优于混凝土水泥，可广泛应用于建筑与道路工程领域。
附图说明
图1为含有表面改性导热填料的地聚合物复合材料结构示意图，其中1为碳纳米管，2为地聚合物基体，3为二氧化硅包覆层；
图2为原始碳纳米管、表面活化的碳纳米管与表面包覆二氧化硅的碳纳米管的红外光谱图；
图3为原始碳纳米管、表面活化的碳纳米管与表面包覆二氧化硅的碳纳米管的热重分析图；
图4为纯地聚合、加入3vol％的表面活化的碳纳米管的地聚合物复合材料和3vol％的表面包覆二氧化硅的碳纳米管的地聚合复合材料B1～B3的热导率的测试数据分析柱状图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
(1)制备表面活化的碳纳米管：将1.2g原始碳纳米管(南京先丰纳米材料科技有限公司，货号：100253，规格：长度10-30微米，直径10-20nm)加入体积比为3:1的浓硫酸210mL(国药集团化学试剂有限公司，国药编码：10021628)与浓硝酸70mL(上海泰坦科技股份有限公司，货号：10014528)的混酸溶液中，在磁力搅拌器中以1000r/min搅拌，温度设置为60℃，剧烈搅拌2～3h。然后以纤维素膜为滤膜进行真空抽滤，并用去离子水洗涤至pH值7.0左右。把洗涤后的黑色粉末放置在冷冻干燥机FD-1C-50(北京博医康实验仪器有限公司)中冷冻干燥48h后，即得到干燥蓬松的表面活化的碳纳米管粉末(反应产率约80％)。
(2)表面包覆二氧化硅的碳纳米管的制备：配制体积比为25:1的无水乙醇(国药集团化学试剂有限公司，国药编码：10009228)与氨水(国药集团化学试剂有限公司，国药编码：10002128)的混合碱性溶液，将0.2g/L的表面活化的碳纳米管加入到上述混合碱性溶液中超声分散30min，然后使用转速为1500r/min的磁力搅拌器搅拌15min，获得均匀的悬浮液。然后将原硅酸四甲酯(上海贤鼎生物科技有限公司，编号：LL884-100 mL)与表面活化的碳纳米管以重量比为5：95的比例加入上述制备的悬浮液中，在室温环境下匀速搅拌2h。反应结束后，将混合溶液移至冷冻离心机TGL-16M(长沙高新技术产业开发区湘仪离心机仪器有限公司)以速度为5000r/min离心3次，直至上层溶液透明。移除上层溶液后，将下层粉末通过0.8μm的尼龙膜进行真空洗涤抽滤。洗涤过程重复4个循环。将最终产物在冷冻干燥机中干燥48h，制得表面包覆二氧化硅的碳纳米管(反应产率约65％)。
对所制得的表面活化的碳纳米管和原始碳纳米管以及表面包覆二氧化硅的碳纳米管进行FT-IR测试，测试仪器采用赛默飞尼高力Nicolet傅立叶变换红外光谱仪，测试方法为KBr压片法。
原始碳纳米管、表面活化的碳纳米管与表面包覆二氧化硅的碳纳米管的红外光谱图如图2所示。对于表面活化的碳纳米管，在1430cm-1和2925cm-1处出现的吸收峰说明通过混合强酸溶液处理后，在原始碳纳米管的表面引入了活化官能团。对于二氧化硅包覆的碳纳米管，在470cm-1处出现的吸收峰，表明了二氧化硅层成功包覆在碳纳米管的表面。
对所得表面活化碳纳米管、原始碳纳米管以及表面包覆二氧化硅的碳纳米管进行热重分析测试，测试仪器PerkinElmer TGA8000型热重分析仪。原始碳纳米管、表面活化的碳纳米管与表面包覆二氧化硅的碳纳米管的热重分析图，如图3所示。对于原始碳纳米管试样，最后残余量为4.3％，残余量是来源于制备碳纳米管过程中的金属催化剂；表面活化的碳纳米管的最终残余量为1.3％，这是因为在经过强酸处理后，部分金属催化剂与之反应，故残余量减少；对于表面包覆二氧化硅的试样，试样的最终残余量为52.4％，说明二氧化硅成功的被包覆在碳纳米管的表面上。
实施例2
将硅酸钠溶液(德国Merck，货号：338443-1L)与1.6g的氢氧化钠颗粒(上海泰坦科技股份有限公司，原商品编号：G19852K)以90：10的质量比混合均匀，制得钠离子浓度为8mol/L的碱性激发溶液。将12.7g的偏高岭土(德国巴斯夫公司，货号：42141)加入到上述制备的15mL碱性溶液中，充分搅拌，然后在用自转、公转搅拌机ARE-310(日本ThinkyCorporation)以2000r/min的转速旋转5min，得到混合均匀的浆料。将浆料倒入聚四氟乙烯模具中，用胶带密封模具。然后把模具移至烘箱中，在60℃下固化24h，自然冷却后脱模制得地聚合物复合材料B1。
实施例3
采用与实施例1相同的方法制备得到表面活化碳纳米管和表面包覆二氧化硅的碳纳米管。
将硅酸钠溶液(德国Merck，货号：338443-1L)与1.6g的氢氧化钠颗粒(上海泰坦科技股份有限公司，原商品编号：G19852K)以90：10的质量比混合均匀，制得钠离子浓度为8mol/L的碱性激发溶液。将0.38g的表面活化的碳纳米管加入到上述制备的15mL碱性溶液中超声分散30min后，再与表面活化的碳纳米管以质量比为100：3的偏高岭土(德国巴斯夫公司，货号：42141)混合，然后在用自转、公转搅拌机ARE-310(日本Thinky Corporation)以2000r/min的转速旋转5min，得到混合均匀的浆料。将浆料倒入聚四氟乙烯模具中，用胶带密封模具。然后把模具移至烘箱中，在60℃下固化24h，自然冷却后脱模制得地聚合物复合材料B2。
实施例4
采用与实施例1相同的方法制备得到表面活化碳纳米管和表面包覆二氧化硅的碳纳米管。
将硅酸钠溶液(德国Merck，货号：338443-1L)与1.6g的氢氧化钠颗粒(上海泰坦科技股份有限公司，原商品编号：G19852K)以90：10的质量比混合均匀，制得钠离子浓度为8mol/L的碱性激发溶液。将0.70g表面包覆二氧化硅的碳纳米管加入到上述制备的15mL碱性溶液中超声分散30min后，再与表面包覆二氧化硅的碳纳米管以质量比为18：1的偏高岭土(德国巴斯夫公司，货号：42141)混合，然后在用自转、公转搅拌机ARE-310(日本ThinkyCorporation)以2000r/min的转速旋转5min，得到混合均匀的浆料。将浆料倒入聚四氟乙烯模具中，用胶带密封模具。然后把模具移至烘箱中，在60℃下固化24h，自然冷却后脱模制得地聚合物复合材料B3。
包覆二氧化硅导热填料的地聚合物复合材料结构示意图，如图4所示，其中1为碳纳米管，2为地聚合物基体，3为二氧化硅包覆层。
对所制得的地聚合复合材料B1～B3进行导热性能测试，测试仪器采用国产西安夏溪电子科技有限公司TC3100型便携式导热系数仪，测试原理为瞬态热线法，测试标准为GB/T10297-2015。试样规格为25mm×25mm×22mm。在进行导热性能测试前，将待测样品上下表面用砂纸抛光。具体测试条件是：室温，采集时间3min，测试电压2Kev。每个样品测量5次，取平均值。纯地聚合、加入3vol％的表面活化的碳纳米管的地聚合物复合材料和3vol％的表面包覆二氧化硅的碳纳米管的地聚合复合材料B1～B3的热导率的测试数据分析柱状图，如图4所示。测试结果显示：B1～B3的热导率分别为0.33W/(m·K)、0.45W/(m·K)、0.68W/(m·K)，B3比B2的热导率提高了约51％，B3比B1的热导率相比提高了约105％。结果表明在碳纳米管表面包覆二氧化硅有助于大大提高地聚合物复合材料的热导率。
下表列出与本专利比较接近技术的相关内容和数据
对比例1
Figure BDA0002400018920000081

Claims (10)

1.一种地聚合物复合材料，其特征在于，按重量百分比，原料组分包括：铝硅酸盐矿物30％～40％，碱20％～40％，水30％～40％，导热填料1％～10％。
2.根据权利要求1所述复合材料，其特征在于，所述铝硅酸盐矿物为粘土、矿渣、火山灰、高岭土、粉煤灰、硅灰中的一种或几种；碱为元素周期表中第一、第二主族碱性离子中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述复合材料，其特征在于，所述导热填料为表面活化的导热填料、有机硅改性导热填料中的一种或几种。
4.根据权利要求3所述复合材料，其特征在于，所述表面活化的导热填料、有机硅改性导热填料中的导热填料均为零维粒子导热填料、一维纤维导热填料、二维纳米片层导热填料或三维网状材料导热填料；采用的有机硅改性试剂为原硅酸四甲酯和/或正硅酸乙酯。
5.根据权利要求4所述复合材料，其特征在于，所述零维粒子导热填料为金属纳米粒子、氮化铝、碳化硅、氮化硅、石墨粉中的一种或几种；一维纤维导热填料为碳纳米管、碳纳米纤维、碳纤维、纳米银线中的一种或几种；二维纳米片层导热填料为层状金属氧化物、石墨烯、氮化硼中的一种或几种；三维网状材料导热填料为导热气凝胶、金属泡沫、碳泡沫中的一种或几种。
6.根据权利要求3所述复合材料，其特征在于，所述有机硅改性导热填料由下列方法制备：
将导热填料与强酸溶液混合，搅拌，洗涤，干燥，将得到的预处理的导热填料；然后将预处理的导热填料、有机硅改性试剂分散到乙醇和弱碱的混合溶液中，再次搅拌，离心并洗涤，抽滤，干燥，得到有机硅改性的导热填料；其中导热填料在强酸溶液中的浓度为2～10mg/mL，有机硅改性试剂占有机硅改性试剂和预处理的导热填料的重量比为2％～15％。
7.一种地聚合物复合材料的制备方法，包括：
将表面活化后的导热填料或有机硅改性导热填料与碱溶液混合，加入铝硅酸盐矿物，搅拌，固化，灌注模具后得到导热地聚合物复合材料。
8.根据权利要求7所述制备方法，其特征在于，所述碱溶液中的碱性离子与铝硅酸盐矿物中的铝元素的摩尔比为0.95～1.1:0.85～1.1。
9.根据权利要求7所述制备方法，其特征在于，所述搅拌1000～2000r/min下搅拌5～20min；固化温度为25～80℃，时间为2～36h。
10.一种权利要求1所述地聚合物复合材料的应用。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112441785A (zh) * 2020-12-09 2021-03-05 王瑞 一种用于采暖的电热混凝土板材及其制备方法
CN112679129A (zh) * 2020-12-29 2021-04-20 郑州大学 一种高强度耐腐蚀碳纳米管改性混凝土及其制备方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5925449A (en) * 1996-12-26 1999-07-20 Davidovits; Joseph Method for bonding fiber reinforcement on concrete and steel structures and resultant products
CN101051691A (zh) * 2007-05-14 2007-10-10 武汉理工大学 一种地聚合物基复合材料双极板及其制备方法
CN101318644A (zh) * 2008-07-01 2008-12-10 上海大学 一种新型的二氧化硅包覆碳纳米管的方法
CN105218004A (zh) * 2015-09-17 2016-01-06 浙江大学 一种导电地聚合物的制备方法
CN107188609A (zh) * 2017-04-21 2017-09-22 常州易能科技有限公司 地聚物泡沫混凝土及其制备方法
CN109734364A (zh) * 2019-03-05 2019-05-10 西南科技大学 一种导热增强地聚合物放射性废物固化体及其制备方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5925449A (en) * 1996-12-26 1999-07-20 Davidovits; Joseph Method for bonding fiber reinforcement on concrete and steel structures and resultant products
CN101051691A (zh) * 2007-05-14 2007-10-10 武汉理工大学 一种地聚合物基复合材料双极板及其制备方法
CN101318644A (zh) * 2008-07-01 2008-12-10 上海大学 一种新型的二氧化硅包覆碳纳米管的方法
CN105218004A (zh) * 2015-09-17 2016-01-06 浙江大学 一种导电地聚合物的制备方法
CN107188609A (zh) * 2017-04-21 2017-09-22 常州易能科技有限公司 地聚物泡沫混凝土及其制备方法
CN109734364A (zh) * 2019-03-05 2019-05-10 西南科技大学 一种导热增强地聚合物放射性废物固化体及其制备方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112441785A (zh) * 2020-12-09 2021-03-05 王瑞 一种用于采暖的电热混凝土板材及其制备方法
CN112679129A (zh) * 2020-12-29 2021-04-20 郑州大学 一种高强度耐腐蚀碳纳米管改性混凝土及其制备方法

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